CONSTRUÇÃO DE REPERTÓRIO DIDÁTICO NO ENSINO DE FÍSICA: A GARRAFA DE LEIDEN E SUAS EXPLICAÇÕES

## CONSTRUÇÃO DE REPERTÓRIO DIDÁTICO NO ENSINO DE FÍSICA: A GARRAFA DE LEIDEN E SUAS EXPLICAÇÕES

## Thiago Barbosa de Morais 1 , José Antonio Ferreira Pinto 2 , Ana Paula Bispo da Silva 3

- 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte/PPGECM, thiago.bm73@gmail.com

## Resumo

Este artigo tem como objetivo apresentar uma proposta de ensino para a construção do repertório docente por um futuro professor para a utilização da abordagem históricoinvestigativa. Para isso, partimos do pressuposto que a abordagem histórico-investigativa apresenta potencialidades para melhoria do ensino de ciências ao permitir a construção de um ambiente investigativo em sala de aula, ao mesmo tempo que oferece discussões sobre o processo de aquisição do conhecimento científico em uma perspectiva histórica. O episódio escolhido foi o da Garrafa de Leiden, no qual foram exploradas três da principais explicações, de Benjamin Franklin (1706-1790), de Franz Ulrich Theodosius Aepinus (1724-1802) e de Jean-Antoine Nollet (1700-1770). A estrutura foi pautada na Construção de Repertórios didáticos Histórico-Investigativos - CREDHI, (Pinto, 2022).

Palavras-chave : Ensino de Física, Abordagem Histórico-investigativa, Garrafa de Leiden

## Introdução

Formar uma opinião crítica sobre como a ciência se constrói ao longo da história não é uma tarefa simples. Embora o ensino e aprendizagem muitas vezes se concentrem nos resultados da ciência, questões sobre a própria natureza da ciência (NdC) são frequentemente deixadas de lado, como destacam os pesquisadores Matthews (1995), Gil-Perez et al. (2001), Allchin (2004), Martins (2007) e Forato et al. (2011). Na perspectiva de trazer contribuições relevantes sobre os processos de construção do conhecimento científico, compreender questões de natureza da ciência (NdC), tratando vários aspectos da atividade científica, seu caráter social e cultural, bem como os métodos e teorias, contribui em discussões necessárias ao ensino de ciências e o entendimento à complexidade do conhecimento científico (Bejarano et al., 2019).

Trazer esse tipo de discussão para as aulas de ciências, em especial para as aulas de Física, tem sido um desafio e objeto de estudo de pesquisadores como Moura (2012), Pinto (2022), entre outros. Em especial, Pinto (2022) apresentou uma proposta para a construção de repertórios didáticos histórico-investigativos (CREDHI), que tem como objetivo estruturar um caminho formativo que possibilite docentes e futuros docentes a desenvolver estratégias para sua própria construção de repertórios pautados na abordagem histórico-investigativas, numa perspectiva crítica.

Neste trabalho, apresentamos uma proposta de ensino, baseada na CREDHI, em que exploramos as diferentes percepções conceituais que influenciaram três das principais interpretações/explicações acerca da garrafa de Leiden. A proposta tem o

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objetivo de, a partir de uma abordagem histórica e investigativa, proporcionar um debate de que mais de uma interpretação sobre o funcionamento e a estrutura desse dispositivo era possível, com base em diferentes concepções científicas e epistemológicas.

## A garrafa de Leiden: Contexto Histórico

Dentre os fenômenos estudados pelos filósofos naturais na primeira metade do século XVIII, o tema eletricidade ganhou grande destaque, especialmente devido à sua popularidade, com experimentos demonstrados ao público em geral, que se fascinava com descargas elétricas, choques e outros efeitos. Em termos de entender a natureza do fenômeno, esse período foi marcado por diversas invenções de novos dispositivos (Pimentel; Silva, 2008; Jardim; Guerra, 2017).

Imersa em tal contexto, a garrafa de Leiden foi construída pela primeira vez na Europa, na segunda metade do século XVIII, se caracterizando como um dispositivo que chamou a atenção dos estudiosos da época que buscavam entender suas principais propriedades relacionadas ao comportamento da eletricidade. Afinal tratava-se de uma forma de armazenar a eletricidade, permitindo descargas que são aumentadas se comparadas com aquelas obtidas com um gerador eletrostático (Heilbron, 1979).

Esse instrumento, desenvolvido por volta de 1745, estimulou uma nova compreensão da eletricidade e de sua natureza. A garrafa de Leiden, como é chamada, foi inicialmente estudada na Alemanha e Holanda ao mesmo tempo, embora esses estudos não tenham aparentado qualquer conexão aparente. Os efeitos relacionados a eletricidade foram descritos, em situações distintas pelo alemão Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748), e os holandeses Peter van Musschenbroek (16921761) e seu amigo Andreas Cunaeus (1712-1788), ambos nessa cidade de Leiden (Heilbron, 1979; Jardim; Guerra, 2017)

Junto aos questionamentos relacionados ao dispositivo apontados na época, novas discussões em busca pela compreensão do novo artefato, estimularam a comunicação à longa distância por meio de cartas entre os filósofos naturais, produzindo uma rede internacional de correspondências de cunho científico (Jardim; Guerra, 2017).

## As três explicações da garrafa de Leiden: versões inglesa, alemã e francesa

A garrafa, por ser um instrumento intrigante, proporcionou a construção de concepções distintas que envolviam a busca por sua explicação. É apresentado, a seguir, uma síntese com as principais características de cada uma das três interpretações/explicações acerca do dispositivo, a partir das explicações de Benjamin Franklin (1706-1790), Franz Ulrich Theodosius Aepinus (1724-1802) e Jean-Antoine Nollet (1700-1770) (Morais et al., 2024).

As três explicações ocorreram por volta da metade do século XVIII em anos e países distintos. Além disso, influências diferentes foram apresentadas por cada um dos filósofos naturais em seus trabalhos.

Benjamin Franklin (1706-1790) é influenciado por seu amigo e correspondente Peter Collinson (1694-1768), com o qual trocava cartas; ao longo de seus estudos Franklin utilizou uma versão muito próxima da garrafa de Leiden original construída por Kleist e Musschenbroek; Franz Ulrich Theodosius Aepinus (1724-1802) sofre

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influências do próprio Franklin, ao realizar um estudo de seus trabalhos anos depois e pelas teorias newtonianas; Jean-Antoine Nollet (1700-1770), seguidor de Descartes, foi influenciado pelos trabalhos de du Fay, quando trabalhou para ele como assistente e também pelas estudos e proposições de Georg Mathias Bose (1710-1761) (Morais et al., 2024).

A explicação do experimento segundo Franklin e o grupo da Filadélfia, estava pautada no equilíbrio entre dois estados de eletricidade existentes na garrafa, denominados de positivo e negativo e que, por sua vez, estavam em equilíbrio (Moura, 2019; Morais et al., 2024).

Para Franklin, o aspecto fundamental da garrafa era o vidro, assim, compreender a interação entre o vidro e o fluido elétrico se mostra uma tarefa importante (Moura, 2019). Segundo Franklin (1769), devido o resfriamento no processo de fabricação do vidro, os poros em seu interior eram muito estreitos, impedindo a passagem de fluido elétrico pela linha divisória entre as duas superfícies do vidro. No entanto a repelência de fluido dos dois lados da garrafa ainda poderia ser comunicada. Logo, o ato de estar carregada significava que uma superfície do vidro tinha um excedente de fluído e a outra uma falta. A descarga/faísca produzida pela garrafa tratava-se, ao reestabelecimento do equilíbrio de fluido elétrico nas duas superfícies do vidro.

Partindo para segunda explicação, Aepinus, através do estudo e análise dos trabalhos de Franklin, infere que a impermeabilidade apresentada pelo vidro é uma propriedade comum a todos os corpos tidos como 'elétricos', e não somente ao vidro. Além disso, define o conceito frankliniano de quantidade natural de fluido elétrico em equilíbrio, em termos das forças atrativa e repulsiva (Nardi, 2021).

Através de suas hipóteses e posteriormente dedução matemática, Aepinus conclui que a quantidade de fluido adicionado no interior da garrafa não é a mesma que é ejetada pelo exterior dela, uma vez que a força proveniente da eletrização é repulsiva e cresce conforme mais fluido é adicionado à CD (Nardi, 2021). Concluindo que a quantidade de fluido β (fluido ejetado), é sempre menor que a quantidade de fluido α (fluido adicionado), o que o diferencia de Franklin, o qual assumia a necessidade de haver sempre uma 'conservação'.

A última explicação, mas não menos importante envolve os trabalhos de Nollet (1745). Ao contrário dos newtonianos franceses da época, Nollet não se referia a forças de atração e repulsão ao discutir os fenômenos elétricos. Influenciado por Descartes, ele acreditava que tanto as atrações quanto as repulsões se explicavam por forças de contato direto entre a matéria elétrica que envolvia os corpos (Heering; Silva, 2018).

Segundo Nollet, quando um corpo era eletrizado por fricção, ele emitia simultaneamente correntes "afluentes" e "efluentes" do fluido elétrico. A corrente efluente saía através dos poros do corpo, sendo compensada por uma corrente afluente do fluido vindo de fora (Morais et al., 2024). Assim, as correntes efluentes e afluentes diferiam em direção e distribuição espacial.

Logo, os fenômenos elétricos eram ocasionados pelo movimento em direções opostas de duas correntes de fluido elétrico interagindo com outras correntes de diferentes intensidades em outros corpos vizinhos. Essas correntes estão presentes em todos os corpos, sendo a atração ocasionada pela corrente afluente e a repulsão pela efluente (Morais et al., 2024).

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## Análise das percepções conceituais das três explicações da garrafa de Leiden

Podemos dizer que existem algumas semelhanças, mas principalmente diferenças presentes nas teorias de Franklin, Aepinus e Nollet com relação a explicação da garrafa de Leiden. Conjecturamos que as diferenças sejam provenientes, principalmente, pelas influências de cada estudioso, seus métodos e os paradigmas vigentes nos diferentes espaços em que se deram os estudos.

Dentre as três explicações, duas adotavam a hipótese de um único fluido elétrico, conforme proposto por Franklin e, posteriormente, por Aepinus. Enquanto, Nollet defendia a existência de duas correntes, afluente e efluente de fluido elétrico. Mesmo as teorias que falavam sobre um único fluido elétrico, agindo pelo acúmulo ou pela falta dele, apresentavam diferenças em suas explicações. Franklin abordava o conceito de atmosfera elétrica, enquanto Aepinus, influenciado pelas ideias newtonianas, interpretava os trabalhos de Franklin sob a perspectiva de forças à distância.

Observamos também o foco na composição, fabricação e propriedades do vidro para explicação do carregamento da garrafa de Leiden, em duas das teorias apresentadas. Porém, diferente de Franklin que atribui a eletrização da garrafa de Leiden, devido a impermeabilidade do vidro, Nollet conjectura que a eletrização só ocorre pois o vidro apresenta propriedades especiais, como reter e transmitir eletricidade.

Em síntese, podemos apontar questões importantes quanto as explicações envolvendo a garrafa de Leiden: duas hipóteses quanto a natureza da eletricidade foram estabelecidas, um único fluido elétrico e dois fluidos de matéria elétrica; Influências dos diferentes filósofos naturais na construção das explicações; impacto da existência de teorias prévias e como realizar experimentos elétricos e suas influências nas explicações.

## Plano investigativo para uma garrafa curiosa: aspectos metodológicos

Buscando prover subsídios para o trabalho com HC na sala de aula, buscamos construir uma proposta de ensino, a partir do episódio histórico da garrafa de Leiden. A presente sequência surge a partir de um processo de investigação e aprofundamento seguindo as etapas do ciclo formativo da metodologia para Construção de Repertórios didáticos Históricos-Investigativos - CREDHI (Pinto, 2022).

Nessa proposta, o professor precisa se aprofundar no episódio histórico buscando identificar as dimensões conceitual, observacional e sociocultural do conhecimento, ao que Pinto (2022) chamou de imersões teórica e prática; o objetivo é de retirar problemas de ensino que possam ser abordados na imersão didática do processo; na imersão didática o professor materializa na forma de um plano de ensino aquilo que explorou durante as duas primeira imersões. Para tanto, esse plano precisa conter um cenário didático, problema(s) investigativo(s) e objetivos claros de ensino e aprendizagem, compondo um artefato chamado Quadro teórico didático.

A proposta de plano de ensino aqui apresentada trata-se de um curso piloto a ser realizado com uma turma do Mestrado Profissional em Ensino de Física. Seguindo os aspectos da CREDHI descritos acima, resultou na seguinte estrutura para o plano:

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Cenário didático: A garrafa de Leiden é um aparato interessante, tão interessante que poderia assumir mais de uma explicação? Quantas 'ciências' diferentes podem existir para um mesmo fenômeno?

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## Considerações finais

O principal aspecto que destacamos neste estudo de caso é a existência de diferentes explicações para o mesmo fenômeno que ocorria com a garrafa de Leiden, assim como o formato e os materiais que compunham esse instrumento. Também destacamos que o fenômeno associado à garrafa de Leiden podia ser compreendido e interpretado sob diferentes formas. Isso pode ter ocorrido pelo fato de os estudiosos estarem em diferentes locais e contextos. Reforçando a ideia de que a construção do conhecimento científico não segue um caminho linear e cumulativo.

Posto que o episódio histórico das três explicações para a garrafa de Leiden apresenta aspectos significativos quanto à complexidade do conhecimento científico, contemplando diferentes questões, na medida que o fenômeno desafiava o conhecimento teórico e experimental da época, compreendemos que a pesquisa tem um potencial de associar a História da Ciência no Ensino de Ciências contemplando outros saberes que exploram o aspecto conceitual sob diferentes perspectivas;

Após a devida imersão no episódio histórico, estruturados a partir da CREDHI, pudemos compor um plano de ensino que se estrutura a partir de questões importantes associadas com o episódio histórico, definindo momentos didáticos que permitem a investigação e a participação ativa do público a que se destina; além disso, pode proporcionar um espaço para que diferentes aspectos de natureza da ciências sejam discutidos. Na sequência, esperamos aplicar e analisar se as diferentes aspectos de construção epistêmica serão atendidos em acordo com o que prevê a CREDHI.

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